CN105424485A - 钢管混凝土拱架灌注试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢管混凝土拱架灌注试验系统及试验方法，包括一个由空心管组成的试验拱架，在所述的试验拱架上设有灌浆孔和用于排气的排气孔，所述的灌浆孔与给空心管进行灌浆的灌浆系统相连；所述的试验拱架的四周设有多个对其实施加荷载的加载系统，所述的加载系统和试验拱架与一个反力系统相连；在试验拱架上还设有对灌浆进行检测的灌浆监测系统。

Description

钢管混凝土拱架灌注试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及地下工程支护材料试验领域，特别是一种钢管混凝土拱架灌注试验系统及试验方法。

背景技术

随着我国经济社会的发展，地下矿井、隧道、地铁、水电硐室等修建越来越多，更多的工程处于恶劣地质条件，随之面临的支护问题也越来越突出。在常规锚网喷支护及工字钢、U型钢支护无法满足要求的前提下，钢管混凝土拱架在工程中的应用越来越广泛，尤其是当工程埋深、断面较大，或是处于某些软弱地层之中时，钢管混凝土拱架的优越性体现得愈发明显。

在钢管混凝土拱架的设计施工中，钢管内部核心混凝土的灌注效果直接影响拱架的承载力，并最终决定支护效果。然而，由于缺乏试验研究的积累，目前钢管混凝土拱架的混凝土灌注参数的设计仍以经验为主，灌注工艺、工序存在缺陷，导致现场暴露出很多钢管混凝土拱架中混凝土存在极其不密实、甚至大空洞等现象，拱架承载力无法发挥，且带来安全隐患。

因此，目前亟待开展一系列钢管混凝土拱架灌注试验，通过对比分析，掌握钢管混凝土拱架灌注参数、工艺、工序等对拱架承载力及其支护效果的影响规律，进而优化设计和施工参数，改善灌注效果。然而，目前没有任何试验系统能够满足上述针对性试验要求。

发明内容

本发明的目的是通过该试验系统开展相关灌注试验，深入、直观、准确的分析各种影响因素下灌浆效果的差异，研究不同的混凝土参数、灌浆工艺、工序、方法以及其它因素对灌浆效果的影响规律，进而为钢管混凝土拱架灌注设计和施工提供参考依据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

钢管混凝土拱架灌注试验系统，包括一个由空心管组成的试验拱架，在所述的试验拱架上设有灌浆孔和用于排气的排气孔，所述的灌浆孔与给空心管进行灌浆的灌浆系统相连；所述的试验拱架的四周设有多个对其实施加荷载的加载系统，所述的加载系统和试验拱架与一个为其提供反作用力的反力系统相连；且在试验拱架上还设有对灌浆进行检测的灌浆监测系统。

进一步的，所述的试验拱架由多节空钢管通过套管连接成圆形、椭圆形或直腿半圆形；

进一步的，所述的空钢管的截面形状为圆形、方形或矩形。

进一步的，所述的加载系统包括液压泵站、输油管、液压油缸和加载控制采集系统；所述的液压泵站通过输油管与液压油缸相连，通过所述的加载控制采集系统实现对所述的液压油缸的控制，实现对所述的试验拱架的加载或卸载，从而获取所述的试验拱架的承载力，进而对浆液灌注效果进行评价。

进一步的，所述的液压油缸固定在所述油缸支座上。

进一步的，所述的灌浆系统包括混凝土输送泵、灌浆管和灌浆接头，所述的混凝土输送泵通过所述的灌浆管和所述的灌浆接头与所述的试验拱架相连接，将不同配合比的混凝土以指定的不同速度泵送至所述的试验拱架中。

进一步的，所述的灌浆系统还包括振动器，所述的振动器通过螺栓固定在所述的试验拱架上，根据研究需要选择在灌浆时是否对拱架提供振动作用或不同的振动参数，用于研究振动及其参数对灌注效果的影响规律。

进一步的，所述的灌浆监测系统包括重量传感器、重量数据采集系统和观测孔；所述的重量传感器放置在所述的试验拱架底部和拱架底座之间，左右各一个，并通过导线与重量数据采集系统相连接，在灌浆过程中实时监测并记录所述的试验拱架重量变化情况；所述的观测孔均匀布置在所述的试验拱架壁上，当混凝土浆灌注至某个所述的观测孔时，可确知混凝土灌注填充位置，从而确定灌注到所述的试验拱架内的混凝土体积；所述的观测孔直径要小，以尽量不影响试验拱架承载力为宜。基于所述的灌浆监测系统，可以从侧面分析和评价所述的试验拱架灌浆密实度。

进一步的，所述的反力系统包括大型直立反力墙、油缸支座及拱架底座；所述的大型直立反力墙为高强钢筋混凝土结构，其上设有螺栓孔，用于固定油缸支座和拱架支座及其他构件；所述的油缸支座通过螺栓固定在所述的反力墙的指定位置，用于为油缸提供反力。

进一步的，所述的拱架底座通过高强螺栓固定在反力墙底端指定位置，左右各一个，用于支撑试验拱架，并在加载时提供对拱架底部的约束力。

所述的钢管混凝土拱架灌注试验系统的试验方法，包括以下步骤：

步骤1、连接好钢管混凝土拱架灌注试验系统；

步骤2、灌浆及监测

2-1开启拱架重量数据采集系统，实时监测并记录试验拱架的重量；

2-2启动混凝土输送泵，向试验拱架内灌注混凝土，灌浆过程中实时测量并记录试验拱架重量变化；同时通过观测孔实时观测并记录不同时刻的混凝土灌注位置，当混凝土超过某观测孔后，及时封堵该观测孔；

2-3当一侧灌浆接近顶部后，将灌浆管拔除，通过灌浆接头接到另外一侧的灌浆孔上继续灌浆；当排气孔有混凝土流出且已流出规定量后，停止混凝土输送泵，拔出灌浆管，灌浆结束。

步骤3、拱架养护

灌浆结束后，保持试验拱架原位不动，静止放置，按规定条件养护至规定时间；

步骤4加载至破坏

养护完成后，移除拱架重量传感器、重量数据采集系统和振动器；紧固限位档梁的螺栓，通过限位档梁使试验拱架只能在平面内变形；通过加载控制采集系统操控液压泵站及液压油缸，使液压油缸按照预定模式对试验拱架施加荷载；拱架底座为试验拱架提供约束；在加载过程中，加载控制采集系统可实时记录各液压油缸的出力值；持续加载直至拱架破坏，加载结束；

步骤5对步骤3、步骤4的数据进行处理。

所述的钢管混凝土拱架灌注试验系统的试验方法，步骤1包括以下步骤：

1-1连接好试验拱架，在试验拱架上设置有灌浆孔、排气孔和观测孔；

1-2将两个重量传感器分别固定在拱架底座上，并将其与重量数据采集系统进行连接。

1-3将准备好的试验拱架放置在固定好的重量传感器之上，并用限位档梁固定住试验拱架的水平位移；

1-4将油缸支座固定在直立反力墙上，再将液压油缸固定在油缸支座上，通过输油管连接液压油缸和液压泵站；

1-5通过灌浆管和灌浆接头，将试验拱架一侧的灌浆孔与混凝土输送泵相连。

1-6准备好指定配比的混凝土材料，检查各部分的连接是否紧固。

所述的钢管混凝土拱架灌注试验系统的试验方法，步骤5的具体过程如下：

5-1通过灌浆监测系统测算，得到了灌浆过程中试验拱架的重量变化及灌浆体积，以此从侧面分析和评价试验拱架不同部位及整体的灌浆密实度；

5-1通过加载至破坏的试验过程，得到了拱架的承载力，进而对浆液灌注效果进行评价；

5-3通过开展一系列试验，考虑各种不同因素，利用步骤5-1、5-2得到的两评价指标，评价各个影响因素对钢管混凝土拱架灌注效果的影响规律。

本发明的有益效果是：

通过对灌浆过程的实时监控和对灌浆养护后的拱架宏观承载力的实测，开展系列试验，综合评价各种不同因素如混凝土配比、灌浆速率、有无振动及振动参数、灌浆口及排气孔位置以及套管参数等对钢管混凝土拱架灌注效果的影响规律。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1本发明的结构图；

图中：1-试验拱架；2-套管；3-灌浆孔；4-排气孔；5-反力墙；6-螺栓孔；7-油缸支座；8-拱架底座；9-高强螺栓；10-混凝土输送泵；11-灌浆管；12-灌浆接头；13-振动器；14-重量传感器；15-重量数据采集系统；16-观测孔；17-液压泵站；18-加载控制及采集系统；19-输油管；20-液压油缸；21-限位档梁。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种钢管混凝土拱架灌注试验系统，包括一个由空心管组成的试验拱架1，在所述的试验拱架1上设有灌浆孔3和用于排气的排气孔4，所述的灌浆孔和排气孔的位置、形式和尺寸根据研究需要确定。所述的灌浆孔3与给空心管进行灌浆的灌浆系统相连；所述的试验拱架1的四周设有多个对其实施加荷载的加载系统，所述的加载系统和试验拱架1与一个为其提供反作用力的反力系统相连；且在试验拱架1上还设有对灌浆进行检测的灌浆监测系统。

进一步的，所述的排气孔4用来在灌注混凝土时排出拱架模具内多余气体。

进一步的，所述的试验拱架1由多节空钢管通过套管连接成圆形、椭圆形或直腿半圆形；

进一步的，所述的空钢管的截面形状为圆形、方形或矩形。

进一步的，所述的加载系统包括液压泵站17、输油管19、液压油缸20和加载控制采集系统15；所述的液压泵站17通过输油管19与液压油缸20相连，通过所述的加载控制采集系统15实现对所述的液压油缸17的控制，实现对所述的试验拱架的加载或卸载，从而获取所述的试验拱架的承载力，进而对浆液灌注效果进行评价。

进一步的，所述的液压油缸17固定在所述油缸支座7上。

进一步的，所述的灌浆系统包括混凝土输送泵10、灌浆管11和灌浆接头12，所述的混凝土输送泵通过所述的灌浆管11和所述的灌浆接头12与所述的试验拱架1相连接，将不同配合比的混凝土以指定的不同速度泵送至所述的试验拱架中。

进一步的，所述的灌浆系统还包括振动器13，所述的振动器13通过螺栓固定在所述的试验拱架上，根据研究需要选择在灌浆时是否对拱架提供振动作用或不同的振动参数，用于研究振动及其参数对灌注效果的影响规律。

进一步的，所述的灌浆监测系统包括重量传感器14、重量数据采集系统15和观测孔16；所述的重量传感器14放置在所述的试验拱架1底部和拱架底座之间，左右各一个，并通过导线与重量数据采集系统15相连接，在灌浆过程中实时监测并记录所述的试验拱架重量变化情况；所述的观测孔均匀布置在所述的试验拱架壁上，当混凝土浆灌注至某个所述的观测孔时，可确知混凝土灌注填充位置，从而确定灌注到所述的试验拱架内的混凝土体积；所述的观测孔直径要小，以尽量不影响试验拱架承载力为宜。基于所述的灌浆监测系统，可以从侧面分析和评价所述的试验拱架灌浆密实度。

进一步的，所述的反力系统包括大型直立反力墙5、油缸支座7及拱架底座8；所述的大型直立反力墙为高强钢筋混凝土结构，其上设有螺栓孔6，用于固定油缸支座和拱架支座及其他构件；所述的油缸支座通过螺栓固定在所述的反力墙的指定位置，用于为油缸提供反力。

进一步的，所述的拱架底座通过高强螺栓固定在反力墙底端指定位置，左右各一个，用于支撑试验拱架，并在加载时提供对拱架底部的约束力。

所述的试验拱架一般为钢管混凝土拱架，由多节通过套管连接成整体，根据研究需要其整体形状可以为圆形、椭圆形和直腿半圆形等；在灌浆之前为空钢管加工而成的拱架，其截面形状根据研究需要可以为圆形、方形和矩形等多种。

所述的灌浆系统可实现采用不同灌注工艺向试验拱架内灌注不同配比混凝土的要求；所述的混凝土输送泵通过所述的灌浆管和所述的灌浆接头与所述的试验拱架相连接，将不同配合比的混凝土以指定的不同速度泵送至所述的试验拱架中。所述的灌浆孔根据研究需要设置在所述的试验拱架上，可用于研究不同的灌浆位置对灌浆效果的影响规律，一般在试验拱架的左右底部各设置一个。所述的灌浆接头连接在所述的灌浆孔上，其内设置单向阀，使混凝土浆液只可单向流入装置而不可逆向流出，确保灌浆完毕拆除所述的灌浆管时，浆液不会由所述的灌浆孔流出。所述的振动器通过螺栓固定在所述的试验拱架上，可以根据研究需要选择在灌浆时是否对拱架提供振动作用或不同的振动参数，用于研究振动及其参数对灌注效果的影响规律。

本发明还包括一些附属构件，其由高强螺栓和限位档梁组成。所述的高强螺栓用来进行所述的液压油缸、油缸支座、拱架底座和振动器等的连接；所述的限位档梁由工字钢加工而成，通过高强螺栓固定在所述的直立反力墙上，用于防止所述的试验拱架倾倒并在加载时限制所述的试验拱架的平面外变形。

具体的操作步骤如下：

1、试验前的准备工作

准备好试验拱架1，并用套管2相连接，试验拱架1上设置有灌浆孔3、排气孔4和观测孔16。将两个重量传感器14分别固定在拱架底座上，并用导线将其与重量数据采集系统15进行连接。将准备好的试验拱架1放置在固定好的重量传感器14之上，并用限位档梁21固定住试验拱架1的水平位移。如需要灌注时进行振动，将振动器13通过螺栓固定在试验拱架1的指定位置。

将油缸支座7通过高强螺栓9固定在直立反力墙5的指定螺栓孔6上，再将液压油缸20固定在油缸支座7上，通过输油管连接液压油缸20和液压泵站17，通过加载控制及采集系统18使液压油缸20完全回缩，不与试验拱架1相接触，以免影响对试验拱架1的重量监测。

通过灌浆管11和灌浆接头12，将试验拱架1一侧的灌浆孔3与混凝土输送泵10相连。

准备好指定配比的混凝土材料，检查各部分的连接是否紧固。

2、灌浆及监测

开启拱架重量数据采集系统15，实时监测并记录试验拱架1的重量。启动混凝土输送泵10，向试验拱架1内灌注混凝土，灌浆过程中实时测量并记录试验拱架1重量变化；同时通过观测孔16实时观测并记录不同时刻的混凝土灌注位置，当混凝土超过某观测孔16后，及时封堵该观测孔。当一侧灌浆接近顶部后，将灌浆管11拔除，通过灌浆接头接到另外一侧的灌浆孔3上继续灌浆；当排气孔4有混凝土流出且已流出规定量后，停止混凝土输送泵10，拔出灌浆管11，灌浆结束。

灌浆过程中，根据需要选择是否开启振动器13或选择不同的振动模式。

灌浆接头12中设置有单向阀，防止灌浆管11拔除后混凝土倒流。

为保证拱架重量监测准确性，将灌浆口附近的灌浆管11进行托举或悬吊处理，减小其重量对拱架重量结果的影响。

3、拱架养护

灌浆结束后，保持试验拱架1原位不动，静止放置，按规定条件养护至规定时间。

4、加载至破坏

养护完成后，移除拱架重量传感器14、重量数据采集系统15和振动器13；紧固限位档梁21的螺栓，通过限位档梁21使试验拱架1只能在平面内变形。通过加载控制采集系统18操控液压泵站17及液压油缸20，使液压油缸20按照预定模式对试验拱架1施加荷载；拱架底座14为试验拱架提供约束；在加载过程中，加载控制采集系统18可实时记录各液压油缸20的出力值；持续加载直至拱架破坏，加载结束。

5、数据处理

通过灌浆监测系统测算，得到了灌浆过程中试验拱架1的重量变化及灌浆体积，由此可以从侧面分析和评价试验拱架1不同部位及整体的灌浆密实度。通过加载至破坏的试验过程，得到了拱架的承载力，进而对浆液灌注效果进行评价。通过开展一系列试验，考虑各种不同因素如混凝土配比、灌浆速率、有无振动及振动参数、灌浆口及排气孔位置、套管参数等，利用上述两评价指标，评价各个影响因素对钢管混凝土拱架灌注效果的影响规律。

以上内容，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.钢管混凝土拱架灌注试验系统，其特征在于：包括一个由空心管组成的试验拱架，在所述的试验拱架上设有灌浆孔和用于排气的排气孔，所述的灌浆孔与给空心管进行灌浆的灌浆系统相连；所述的试验拱架的四周设有多个对其实施加荷载的加载系统，所述的加载系统和试验拱架与一个为其提供反作用力的反力系统相连；且在试验拱架上还设有对灌浆进行检测的灌浆监测系统。

2.如权利要求1所述的钢管混凝土拱架灌注试验系统，其特征在于：所述的加载系统包括液压泵站、输油管、液压油缸和加载控制采集系统；所述的液压泵站通过输油管与设置在试验拱架四周的液压油缸相连，通过所述的加载控制采集系统实现对所述的液压油缸的控制，实现对所述的试验拱架的加载或卸载。

3.如权利要求1所述的钢管混凝土拱架灌注试验系统，其特征在于：所述的灌浆系统包括混凝土输送泵、灌浆管和灌浆接头，所述的混凝土输送泵通过所述的灌浆管和所述的灌浆接头与所述的试验拱架相连接，将不同配合比的混凝土以指定的不同速度泵送至所述的试验拱架中。

4.如权利要求1所述的钢管混凝土拱架灌注试验系统，其特征在于：所述的灌浆系统还包括一个在灌浆时对拱架提供振动作用或不同的振动参数的振动器，所述的振动器固定在所述的试验拱架上。

5.如权利要求1所述的钢管混凝土拱架灌注试验系统，其特征在于：所述的灌浆监测系统包括重量传感器和重量数据采集系统；所述的重量传感器放置在所述的试验拱架底部和拱架底座之间，左右各一个，并与重量数据采集系统相连接，在灌浆过程中实时监测并记录所述的试验拱架重量变化情况。

6.如权利要求5所述的钢管混凝土拱架灌注试验系统，其特征在于：所述的灌浆监测系统还包括均匀布置在所述的试验拱架壁上的观测孔，当混凝土浆灌注至某个所述的观测孔时，确知混凝土灌注填充位置，从而确定灌注到所述的试验拱架内的混凝土体积。

7.如权利要求1所述的钢管混凝土拱架灌注试验系统，其特征在于：所述的反力系统包括直立反力墙、油缸支座及拱架底座；

所述的直立反力墙为钢筋混凝土结构，其上设有用于固定油缸支座和拱架支座及其他构件的螺栓孔；

所述的油缸支座为液压油缸提供反力，其固定在所述的反力墙的指定位置；

所述的拱架底座固定在反力墙底端指定位置，左右各一个，用于支撑试验拱架，并在加载时提供对拱架底部的约束力。

8.如权利要求1所述的钢管混凝土拱架灌注试验系统的试验方法，其特征在于，

步骤1、连接好如权利要求1所述的钢管混凝土拱架灌注试验系统；

步骤2、灌浆及监测

2-1开启拱架重量数据采集系统，实时监测并记录试验拱架的重量；

2-2启动混凝土输送泵，向试验拱架内灌注混凝土，灌浆过程中实时测量并记录试验拱架重量变化；同时通过观测孔实时观测并记录不同时刻的混凝土灌注位置，当混凝土超过某观测孔后，及时封堵该观测孔；

2-3当一侧灌浆接近顶部后，将灌浆管拔除，通过灌浆接头接到另外一侧的灌浆孔上继续灌浆；当排气孔有混凝土流出且已流出规定量后，停止混凝土输送泵，拔出灌浆管，灌浆结束；

步骤3、拱架养护

灌浆结束后，保持试验拱架原位不动，静止放置，按规定条件养护至规定时间；

步骤4加载至破坏

养护完成后，移除拱架重量传感器、重量数据采集系统和振动器；紧固限位档梁的螺栓，通过限位档梁使试验拱架只能在平面内变形；通过加载控制采集系统操控液压泵站及液压油缸，使液压油缸按照预定模式对试验拱架施加荷载；拱架底座为试验拱架提供约束；在加载过程中，加载控制采集系统可实时记录各液压油缸的出力值；持续加载直至拱架破坏，加载结束；

步骤5对步骤3、步骤4的数据进行处理。

9.如权利要求8所述的钢管混凝土拱架灌注试验系统的试验方法，其特征在于，步骤1包括以下步骤：

1-1连接好试验拱架，在试验拱架上设置有灌浆孔、排气孔和观测孔；

1-2将两个重量传感器分别固定在拱架底座上，并将其与重量数据采集系统进行连接；

1-3将准备好的试验拱架放置在固定好的重量传感器之上，并用限位档梁固定住试验拱架的水平位移；

1-4将油缸支座固定在直立反力墙上，再将液压油缸固定在油缸支座上，通过输油管连接液压油缸和液压泵站；

1-5通过灌浆管和灌浆接头，将试验拱架一侧的灌浆孔与混凝土输送泵相连；

1-6准备好指定配比的混凝土材料，检查各部分的连接是否紧固。

10.如权利要求8所述的钢管混凝土拱架灌注试验系统的试验方法，其特征在于，步骤5的具体过程如下：

5-1通过灌浆监测系统测算，得到了灌浆过程中试验拱架的重量变化及灌浆体积，以此从侧面分析和评价试验拱架不同部位及整体的灌浆密实度；

5-1通过加载至破坏的试验过程，得到了拱架的承载力，进而对浆液灌注效果进行评价；

5-3通过开展一系列试验，考虑各种不同因素，利用步骤5-1、5-2得到的两评价指标，评价各个影响因素对钢管混凝土拱架灌注效果的影响规律。